钢桁公铁斜拉桥极限状态分析

摘要

近年来，随着铁路现代化的建设，跨越大江大河线路工程的增加，斜拉桥以其优美的线型、良好的跨越性能等特点成为公铁两用桥梁的主要推荐方案。但由于其本身结构的复杂性，国内外对其研究的资料和成果很少。为了确保钢桁公铁斜拉桥在成桥运营期间的安全性，使得钢桁公铁斜拉桥结构的设计更加经济合理，本文以武汉天兴洲大桥钢桁公铁斜拉桥为工程背景，以超大跨斜拉桥设计理论与密索多索问题为主线，开展了索力优化与非线性问题、钢桁公铁斜拉桥自振特性分析、力学性能参数研究、控制构件分析等问题的研究工作。本文的研究工作和取得的主要成果有： （1）以天兴洲大桥为工程背景，系统地研究总结了各种斜拉桥索力优化方法，提出了一套基于几何非线性有限元理论的大跨度密索体系斜拉桥成桥索力多目标优化和两阶段迭代计算法，详细讨论了大跨度钢桁公铁斜拉桥成桥索力计算方法。经过与经典算例的计算结果进行对比，对程序的精度和可靠性加以了验证。实现了大跨度密索斜拉桥成桥索力方便快捷的计算，并可保证成桥状态斜拉桥塔梁索的应力状态比较理想。 （2）介绍了几何非线性分析中梁单元、杆单元、索单元、板单元的处理方法。将空间梁（杆）单元、空间悬链线索单元以及空间板壳单元结合起来，形成了一套完整的适合于斜拉桥结构分析的几何非线性有限元计算方法。比较了五种设计荷载工况下的静力分析结果，确定出最不利荷载工况，进行全桥结构效应分析计算。按极限状态分析法进行作用效应组合，计算极限状态下结构变形，主塔、主桁杆件、桥面系、拉索的应力分布和应力水平。确定出对结构安全性贡献最大的控制构件。研究表明，主桁竖杆为钢桁公铁斜拉桥结构体系中最重要受力构件，在承载能力极限状态下，主桁竖杆的最大拉应力水平超过材料容许拉应力的50％，因此对钢桁公铁斜拉桥在设计施工中，对主桁竖杆的应力控制尤为重要。 （3）对斜拉桥非线性计算方法进行了归纳总结，就非线性对结构安全性的影响进行了综合比较研究。讨论了几何非线性对成桥索力以及恒载作用下结构变形的影响，结果表明，几何非线性对恒载很大的钢桁公铁斜拉桥的成桥索力以及恒载作用下主跨跨中挠度影响不大，在进行大跨度公铁斜拉桥成桥索力计算程序编译时，在同时能够提高运算速度又能满足计算结果精度的要求下，可以忽略几何非线性的影响。此外，还分析了几何非线性对极限状态下结构变形，主塔、主桁杆件、桥面系、拉索的应力分布和应力水平的影响。分析结果表明，在对运营状态下的钢桁公铁斜拉桥进行受力特性分析的时候，必须计入几何非线性的影响，主塔应力分布和应力水平受几何非线性影响尤为明显，其它的构件，如主桁斜杆、下弦杆以及铁路横纵平系等受几何非线性的影响也较大。 （4）对天兴洲钢桁公铁斜拉桥模型进行动力特性分析，并依此为基础，研究了最佳索塔高跨比、边中跨之比、主梁高跨比以及最佳辅助墩位置，并讨论了主塔刚度、拉索抗拉刚度、钢桁梁各杆件刚度、桥面板刚度等结构参数变化对天兴洲大桥自振特性性能的影响。经过对大跨度钢桁梁斜拉桥的研究，得出最佳索塔高跨比为1/3、最佳的辅助墩布置范围在最外侧拉索索位与中索（与最长索和最短索距离相等的位置）索位之间等结论，研究还发现，通过改变钢桁主梁高度以增加斜拉桥结构刚度并不理想，而桥塔刚度和主桁斜竖杆刚度是斜拉桥面内和面外稳定的主要力学参数。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1钢桁公铁斜拉桥工程应用及理论分析现状

1.1.1斜拉桥的发展

1.1.2公铁斜拉桥的发展

1.1.3钢桁公铁斜拉桥结构分析理论研究现状

1.2桥梁极限状态设计研究现状

1.2.1工程结构设计方法发展

1.2.2极限状态设计方法

1.3本文研究内容

第二章 斜拉桥非线性分析

2.1引言

2.2变形体的描述方法

2.3 U.L.列式虚功增量方程

2.4 U.L.列式单元切线刚度矩阵

2.4.1 U.L.列式空间杆单元的切线刚度矩阵

2.4.2 U.L.列式空间梁单元的切线刚度矩阵

2.4.3 U.L.列式空间索单元的切线刚度矩阵

2.4.4 U.L.列式空间平板单元的切线刚度矩阵

2.5斜拉桥整体结构分析

2.6方程求解和收敛准则

2.7小结

第三章 斜拉桥成桥索力计算

3.1引言

3.2斜拉桥合理成桥状态确定原则

3.3恒载作用下合理成桥索力优化理论

3.4恒载作用下合理成桥索力优化模型

3.4.1变量及影响矩阵

3.4.2优化目标

3.4.3优化约束

3.5斜拉桥无应力索长理论

3.6恒载作用下合理成桥索力计算

3.6.1算例1

3.6.2算例2

3.7基于极限状态法的合理成桥索力计算

3.8 小结

第四章 钢桁公铁斜拉桥动力特性计算分析

4.1引言

4.2结构的动力特征方程

4.3钢桁公铁斜拉桥动力分析模型

4.4钢桁公铁斜拉桥自振特性分析

4.5自振特性的参数分析

4.5.1斜拉索初应力的影响

4.5.2几何尺寸的影响

4.5.3构件刚度的影响

4.6小结

第五章 钢桁公铁斜拉桥静力特性分析

5.1引言

5.2荷载工况

5.2.1承载能力极限状态组合

5.2.2正常使用极限状态组合

5.3构件应力计算方法

5.4钢桁公铁斜拉桥静力分析模型

5.5钢桁公铁斜拉桥静力特性分析

5.5.1承载能力极限状态下钢桁公铁斜拉桥应力分析

5.5.2正常使用极限状态下钢桁公铁斜拉桥应力分析

5.5.3构件应力水平

5.5.4控制构件分布

5.5.5成桥索力的影响

5.5.6几何非线性的影响

5.6小结

第六章 小结和展望

6.1小结

6.2展望

参考文献

读博士学位期间发表的与博士论文有关的论文

致谢